柴油机零件气体渗碳缺陷分析及对策

柴油机零件气体渗碳缺陷分析及对策王荣滨（南弯工具厂，江西南昌330004)摘要：本文对影响柴油机零件质量的常见渗碳缺陷逐一作了较详细的分析，并提出了相应的补救措施；为提高渗碳件性能和使用寿命提供可借鉴的实践经验。关键词：柴油机零件；渗碳；缺陷分析；补救措施1概述柴油机向大功率、高负荷、高增压、低油耗和轻重量方向发展，因此，对其传动齿轮、凸轮、气缸、柱塞等受力结构件需进行渗碳或复合渗表面强化处理，以提高表面硬度、耐磨性和抗疲劳、抗粘结、抗咬合、抗擦伤等性能：基体具有很高强韧性，如此，表硬内刚，方可赋予构件高承载能力与可靠性及长寿命。常用20CrMnMo、20CrMnTi、20CrNi3A、20Cr2Ni4A、20CrMoA、20Cr2Ni4WA等低碳低合金钢件渗碳，以表层碳浓度控制在0.80%～0.90％为宜，可使渗层均匀、碳浓度由表至里平缓下降。渗碳层分三层：渗碳件空冷时，表层为过共析层，是细密珠光体加颗粒状均匀分布碳化物：次表层为共析层，属细密珠光体组织；内层为亚共析过渡层，属细密珠光体加少量铁素体组织。心部基体为原始组织。淬火组织为隐晶状或细针状马氏体加均匀分布细粒状碳化物加少量残余奥氏体组织。但在实际生产中，材质、设备、操作等方面的原因可能导致10种渗碳缺陷。本文针对几种主要的常见缺陷，分析其产生原因，阐述确保渗碳质量达到指标所采取的对策。2缺陷分析与对策2.1黑色组织2.1.1产生原因常见缺陷之一是渗碳层淬火马氏体基体中夹杂着团块状的托氏体黑色组织，其硬度低，极易腐蚀。原因是渗碳介质中含氧过多，排气不充分或炉膛密封不严，炉内压力过低而吸入炉外空气中氧，发生内氧化。炉气中氧（0）原子吸入钢中向内扩散，在晶界形成Cr、Mn、Ti、Si等元素氧化物，造成晶界处合金元素贫乏，由于此处淬透性低，淬火时便形成厚约20m的黑色托氏体组织。黑色组织的力学性能低劣，会严重影响零件使用寿命。2.1.2对策严格控制渗碳介质氧含量，选用甲醇排气，密封炉雄，提高炉内压力。渗碳淬火选用真空炉、保护气氛炉和经充分脱氧盐浴炉加热渗碳件等措施可避免黑色托氏体组织形成。对已形成黑色组织的渗碳件（若有余量），可通过抛光、喷丸或磨削消除缺陷。2.2反常组织2.2.1产生原因钢锭在冷凝结晶时缓慢冷却(≤5℃/min)，促使铁素体从奥氏体中呈大块状或沿晶界呈网状析出；当渗碳钢中含有过量P、O、N杂质和Mn、Si元素较多时，炼钢时会引起严重偏析，在奥氏体化温度下缓冷，铁素体易呈带状析出。经轧制，铁素体沿轧制方向呈带、网状分布，使钢力学性能有明显方向性，横向塑性与韧性人大低于纵向。材质先天缺陷，则会同时引起渗碳浓度和渗碳层不均匀性，降低渗碳层与基体结合力，易造成疲劳龟裂。2.2.2对策钢锭经扩散退火后轧制，应再经改锻，尤其是大型齿轮、轴等渗碳件钢材，需反复多次双十字形变向墩拔锻造，之后利用锻造高温余热淬火，接着高温回火；或锻后缓冷后正火加高温回火，如此可消除反常组织。关键是提高钢材冶金质量，严格原材料入库检查，不合格材料不投产。2.3碳化物不正常2.3.1产生原因碳化物不正常表现为渗碳层中二次碳化物呈网状、块状、堆积状和针状分布。这是因为渗碳剂活性强、滴量过大，导致渗碳层浓度过高。渗碳后缓冷，过共析表层几次碳化物沿晶界呈分叉和半网状、全网状析出。渗碳温度过高时，二次渗碳体呈针状插入晶内。当原材料原始组织粗大和偏析严重时易导致块状碳化物形成和产生堆积状碳化物。不正常碳化物构成对基体切割作用，增加脆性，成为应力源，导致淬火裂纹和磨削龟裂。2.3.2对策应严格控制渗碳浓度，世界工业发达国家推荐最佳表面含碳量为：美国0.90%、德国0.85%、日本国0.80%～0.85%、原苏联0.90%～1.10%。国内基本参照原苏联标准。生产实践表明，含碳量大于或等于1.0%时易产生不正常二次碳化物。对20CrMnTi齿轮渗碳层接触疲劳、弯曲疲劳和多次小能量冲击的综合评定也表明：渗碳表面最佳含碳量为0.80%～0.90％。国内不少厂矿只检测渗碳层深度，不检渗碳浓度，也是造成产品质量不稳定的主要因素之一。为弥补碳化物不正常缺陷，可在高温扩散球化处理后正常正火再进行二次淬火。相应的措施还包括选择细晶粒优质钢材、适当降低渗碳剂活性、严格渗碳强渗期与扩散期渗剂滴量、控制炉气碳势、确保所需碳浓度等。2.4渗碳层剥落2.4.1产生原因当渗碳层浓度急剧变化时，可导致淬火后渗层硬度梯度过陡。表面层碳浓度过大．易形成网状、链状、块状、堆积状碳化物，增加渗碳层脆性，降低渗层与基体结合力，服役时在外力作用下便引起渗碳硬化层剥落。2.4.2对策在中性保护气氛中扩散处理，使表面碳向内层扩散，以降低表层碳浓度，促使碳浓度梯度平缓。若有足够加工余量，可将高碳浓度表层磨去，再在中等活性碳势下补渗。经验表明，Cr、Mn、M。、V、W等碳化物形成元素可促使碳浓度梯度变陡，Ni、Si等非碳化物形成元素可使碳浓度梯度平缓。要选用优质渗碳钢和严格控制碳势；应尽量避免使用单一煤油渗剂，而应选甲醉、煤油复合渗剂；采用RE催渗-甲醇排气-煤油强渗-甲醇扩散-微机控碳势气体渗碳新工艺，能显著改善渗碳层内在质量、增强渗层与基体结合力，从而避免渗碳层剥落。2.5软点2.5.1产生原因沸腾渗碳钢易产生块状铁素体、严重偏析等异常组织、经冷压力加工后渗碳引起晶粒异常长大。对于这种带状组织、严重偏析等异常组织，经冷压力加工后渗碳引起晶粒异常长大，常规热处理无法消除，而保留在淬火组织中，块状铁素体由于硬度低，故而形成淬火软点。还有，当渗碳表面碳浓度过高、加上最终淬火温度偏高时，会有过量残余奥氏体产生，并保留在使用状态中，残余奥氏体集中处硬度低，也就形成软点。此外，由于淬火冷却介质老化、有油污导致局部冷速缓慢，或由于渗碳时碳黑覆盖工件造成局部未渗上碳，也都会导致淬火软点。此缺陷的产生会降低渗碳件疲劳强度，使其加速磨损。2.5.2对策渗碳浓度高进行扩散处理后用下限温度淬火，能减少残余奥氏体含量，或淬火后进行冷处理，使残余奥氏体向马氏体转变。也可将渗碳件抛光后补渗。选用电炉钢或电渣钢而不用沸腾钢、选用活性适中渗碳剂、翻新或更换淬火冷却介质、增冷速等工艺措施，都能有效避免淬火软点形成。2.6其它缺陷其余5种缺陷为无渗碳层、渗碳层薄、渗碳层过厚、渗碳层不均匀和渗碳件表层腐蚀。相对而言，这几种缺陷一般较易克服。它们主要由渗碳设备密封不严、仪表控温失灵、装挂不当、渗碳剂不纯、操作不当等造成的，因此只要严格按技术工艺条件生产，问题即迎刃而解，在此不一一赘述。3结束语影响柴油机零件气体渗碳质量的因素很多。对不同渗碳缺陷的产生原因应作具体分析，并采取相应措施加以克服，以提高气体渗碳零部件性能。气体渗碳现场经验表明，从排气孔火苗可大致判断炉内渗碳气氛是否正常：正常火苗粗壮无分叉，呈杏黄色，高约100～150mm，喷吐有力，此时炉内正常压力为196～294Pa。现代Z90型微机能准确控制气体渗碳过程――碳势控制精度簇0.15％、碳浓度控制精度士0.02％、温度控制精度土1.0℃，可控制强渗碳势、扩散碳势和渗碳层厚度，实现渗碳过程自动化．避免、克服或消除上述多种渗碳缺陷，提高渗碳质量和渗碳件寿命．